逆斷層粘滑錯動對跨斷層山嶺隧道結(jié)構(gòu)的損傷機理

斷層錯動是造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)變形過大甚至破壞的主要因素，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于斷層錯動開展了不少研究，但多針對管線破壞機理，關(guān)于跨斷層隧道破壞機理的研究較少。本項目針對逆斷層粘滑錯動問題，通過案例調(diào)研、物理模型試驗、數(shù)值計算及理論分析等手段，研究錯動位移下圍巖變形、跨斷層隧道變形破壞特征，分析逆斷層粘滑錯動下隧道破壞時的錯動位移量以及破壞過程、形態(tài)、區(qū)域，揭示斷層傾角等關(guān)鍵因素對隧道結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)及破壞范圍的影響規(guī)律，提出逆斷層粘滑錯動下隧道結(jié)構(gòu)破壞機理；對比分析不同鉸接襯砌節(jié)段長度、剪切縫寬度等對結(jié)構(gòu)變形、破壞的影響，提出隧道結(jié)構(gòu)的抗錯斷合理設(shè)計參數(shù)。主要結(jié)論如下： 1）逆斷層粘滑錯動時圍巖斷裂面為一向下盤發(fā)展的曲面，斷裂起始角與斷層傾角相同，隨錯動量增加逐漸產(chǎn)生分叉，形成三角剪切帶；斷層水平傳播距離、次斷層發(fā)展高度以及三角剪切帶最大寬度與斷層傾角呈正比關(guān)系，斷層傳播到地表所需的錯動位移與斷層傾角無關(guān)，不同埋深條件下斷層傳播引起圍巖變形差異不大； 2）隨錯動量增加上盤圍巖壓力發(fā)生明顯增幅，上盤距斷層線0.8倍斷面高度處圍壓最大、下盤距斷層0.8倍斷面高以外的區(qū)域圍壓趨于穩(wěn)定；埋深越大，上、下盤及斷層帶圍壓差異越明顯，埋深104m隧道拱頂最大土壓力是埋深30m隧道的3.25倍； 3）隧道結(jié)構(gòu)可視為一彈性地基梁，承受彎曲、剪切與擠壓組合作用，頂、底部外側(cè)受壓，拱腰外側(cè)受拉，上盤存在一個反彎點，受影響區(qū)域為斷層兩側(cè)共4.8倍斷面高度范圍；斷層傾角是影響隧道縱向穩(wěn)定性的主要因素，傾角越小，穩(wěn)定性越差； 4）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為直接剪斷型破壞、張拉-擠壓型破壞、張拉-擠壓-剪切破壞三類，斷層傾角由75°變?yōu)?5°時，結(jié)構(gòu)由直接剪斷型破壞過渡為張拉-擠壓型破壞，破壞區(qū)域分別集中在斷層兩側(cè)1.1倍、1.4倍、1.8倍斷面寬度范圍內(nèi)； 5）依托工程合理抗錯斷設(shè)計參數(shù)：仰拱半徑15m、C25二襯、厚55cm、變形縫間距10m、變形縫寬度0.5m。 6）研究成果已初步應(yīng)用于棋盤石隧道工程。 2100433B

逆斷層粘滑錯動是地震造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的主要因素，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于逆斷層粘滑錯動下管線的破壞機理、設(shè)計措施的研究較多，但是一般隧道斷面尺寸相對管線要大得多，所表現(xiàn)出來的破壞模式也不同，關(guān)于逆斷層粘滑錯動下跨斷層隧道破壞機理的研究較少。課題擬結(jié)合典型地震逆斷層粘滑錯動（如汶川地震、臺灣集集地震）所引起的山嶺隧道破壞模式，通過1：50物理模型試驗和數(shù)值方法研究錯動位移下地層變形、隧道與圍巖接觸壓力、襯砌表面的環(huán)向、縱向應(yīng)變以及裂縫的發(fā)生、發(fā)展過程，分析逆斷層粘滑錯動變形下上覆山嶺隧道發(fā)生破壞時的錯動位移量以及襯砌結(jié)構(gòu)的破壞過程、方式以及區(qū)域，建立逆斷層粘滑錯動下上覆隧道的破壞機制與準(zhǔn)則，提出抗錯斷的隧道結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計方法。同時，課題還擬對斷層傾角、圍巖性質(zhì)、隧道埋深、襯砌剛度、隧道軸線與斷層夾角對隧道結(jié)構(gòu)破壞機理、形態(tài)以及破壞范圍進(jìn)行敏感性分析。

能產(chǎn)生大震和具有以下至少一點特征的活斷層是能動斷層：

在3.5萬年以來至少產(chǎn)生過一次近地表或在地表發(fā)生的運動。

發(fā)生過地震運動（3.5級或者更高），并且有儀器測定的記錄其精確度能夠證明地震運動與斷層有直接關(guān)系。

對于能動斷層來說，斷層一邊發(fā)生地震運動，另一邊也會受到影響。

儀器記錄到歷史上有小震活動產(chǎn)生，且跟斷層有關(guān)。

能動斷層（capable fault）

可能引起地表或近地表明顯錯動的斷層。2100433B

環(huán)狀斷層斷層研究的內(nèi)容

斷層活動總會在產(chǎn)出地段的有關(guān)地層、構(gòu)造、巖石或地貌等方面反映出來，形成了所謂的斷層標(biāo)志，這些標(biāo)志是識別斷層的主要依據(jù)。

環(huán)狀斷層地貌標(biāo)志

斷層崖　由于斷層兩盤的相對滑動，斷層的上升盤常常形成陡崖，這種陡崖稱為斷層崖。盆地與山脈間列的盆嶺地貌是斷層造成一系列陡崖的典型實例。

斷層三角面　斷層崖受到與崖面垂直方向水流的侵蝕切割，乃形成沿斷層走向分布的一系列三角形陡崖，即斷層三角面。

環(huán)狀斷層地貌標(biāo)志

錯斷的山脊　往往是斷層兩盤相對平移的結(jié)果。

橫切山嶺走向的平原與山嶺的接觸帶 往往是規(guī)模較大的斷裂。

串珠狀湖泊洼地 往往是大斷層存在的標(biāo)志。這些湖泊洼地主要是由斷層引起的斷陷形成的。

泉水的帶狀分布　往往也是斷層存在的標(biāo)志。

念青唐古拉南麓從黑河到當(dāng)雄一帶散布著一串高溫溫泉，是現(xiàn)代活動斷層直接控制的結(jié)果。

水系特點　斷層的存在常常影響水系的發(fā)育，引起河流的急劇轉(zhuǎn)向，甚至錯斷河谷。

環(huán)狀斷層構(gòu)造標(biāo)志

如果線狀或面狀地質(zhì)體在平面上或剖面上突然中斷、錯開，不再連續(xù)，說明有斷層存在。右下圖示斷層造成的構(gòu)造線不連續(xù)現(xiàn)象。為了確定斷層的存在和測定錯開的距離，在野外應(yīng)盡可能查明錯斷的對應(yīng)部分。

構(gòu)造強化是斷層可能存在的重要依據(jù)。構(gòu)造強化現(xiàn)象包括有：巖層產(chǎn)狀的急變和變陡；突然出現(xiàn)狹窄的節(jié)理化、劈理化帶；小褶皺劇增以及擠壓破碎和各種擦痕等現(xiàn)象?！?gòu)造透鏡體是斷層作用引起構(gòu)造強化的一種現(xiàn)象。斷層帶內(nèi)或斷層面兩側(cè)巖石碎裂成大小不一的透鏡狀角礫塊體，長徑一般為數(shù)十厘米至二、三米。構(gòu)造透鏡體有時單個出現(xiàn)，有時成群產(chǎn)出。構(gòu)造透鏡體一般是擠壓作用產(chǎn)出的兩組共軛剪節(jié)理把巖石切割成菱形塊體后，其楞角又被磨去形成的。包含透鏡體長軸和中軸的平面，或與斷層面平行，或與斷層面成小角度相交。 在斷層帶中或斷層兩側(cè)，有時見到一系列復(fù)雜緊閉的等斜小褶皺組成的揉褶帶。揉褶帶一般產(chǎn)于較弱薄層中，小褶皺軸面有時向一方傾斜，有時陡立，但總的產(chǎn)狀常常與斷層面斜交，所交銳角一般指示對盤運動方向。

斷層巖的發(fā)育和較廣泛產(chǎn)出也是斷層存在的良好判據(jù)。

環(huán)狀斷層地層標(biāo)志

地層的重復(fù)和缺失是識別斷層的主要依據(jù)。

環(huán)狀斷層巖漿活動與礦化標(biāo)志

大斷層尤其是切割很深的大斷裂常常是巖漿和熱液運移的通道和儲聚場所，因此，如果巖體、礦化帶或硅化等熱液蝕變帶沿一條線或帶斷續(xù)分布，常常指示有大斷層或斷裂帶存在。一些放射狀或環(huán)狀巖墻也指示放射狀斷裂或環(huán)狀斷裂的存在。

環(huán)狀斷層巖相和厚度標(biāo)志

如果一個地區(qū)的沉積巖相和厚度沿一條線發(fā)生急劇變化，可能是斷層活動的結(jié)果。斷層引起巖相和厚度的急變有兩種情況：一種情況是控制沉積盆地和沉積作用的同沉積斷層的活動，引起沉積環(huán)境沿著斷層發(fā)生明顯變化，巖相和厚度因而發(fā)生顯著差異；另一種情況是，斷層的遠(yuǎn)距離推移，使相隔甚遠(yuǎn)的巖相帶直接接觸。 查明和確定斷層是研究斷層的基礎(chǔ)和前提。在地質(zhì)調(diào)查中，應(yīng)注意觀察、發(fā)現(xiàn)和收集指示斷層存在的各種標(biāo)志和跡象，同時結(jié)合其他地質(zhì)條件和背景加以綜合分析。2100433B